(57)【要約】【課題】ターボ機械のシュラウドとインペラとの間の加圧されたプロセス流体の管理を提供すること。【解決手段】  ターボ機械は、シュラウドを有するターボステータと、シュラウド内にインペラを有するターボロータと、インペラとシュラウドとの間のブラシシールと、ブラシシールの上流側でシュラウドからインペラに向かって延在する少なくとも１つのベーンとを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械であって、
シュラウドを有するターボステータと、
前記シュラウド内にインペラを有するターボロータと、
前記インペラと前記シュラウドとの間のブラシシールと、
前記ブラシシールの上流側で前記シュラウドから前記インペラに向かって延在する少なくとも１つのベーンと、
を備える、ターボ機械。
【請求項２】
前記少なくとも１つのベーンが、上流側端部と、下流側端部と、前記上流側端部と前記下流側端部との間に延在する第１の側部と、前記上流側端部と前記下流側端部との間に延在する第２の側部とを含む、請求項１記載のターボ機械。
【請求項３】
前記シュラウドが、前記インペラに面する表面を有し、前記少なくとも１つのベーンが、前記シュラウド表面に交差する上流側端部と、前記シュラウド表面に交差する下流側端部とを有するインペラ接面を含み、前記インペラ接面が、前記上流側端部から前記下流側端部まで前記インペラに実質的に適合する、請求項１記載のターボ機械。
【請求項４】
前記少なくとも１つのベーンが、前記ロータ軸線と一致する平面を画成する、請求項１記載のターボ機械。
【請求項５】
前記インペラが外径を有し、前記少なくとも１つのベーンが、前記インペラの外径を半径方向外向きに超えて延在する、請求項１記載のターボ機械。
【請求項６】
前記ブラシシールの上流側に主キャビティ部分を更に備え、前記主キャビティ部分が、前記シュラウドの凹型の表面及び前記インペラの表面によって画成され、前記少なくとも１つのベーンが、前記主キャビティ内に少なくとも部分的に配置される、請求項１記載のターボ機械。
【請求項７】
前記主キャビティシュラウド表面が、前記ロータ軸線に垂直な平坦なシュラウド表面と、前記平坦なシュラウド表面の上流側の円筒形のシュラウド表面とによって画成された段部を含み、前記円筒形の表面が前記平坦なシュラウド表面に交差する、請求項６記載のターボ機械。
【請求項８】
前記少なくとも１つのベーンが三角形状をなし、該三角形の第１の側部が前記平坦なシュラウドと交差し、前記三角形の第２の側部が前記円筒形のシュラウド表面と交差し、前記三角形の第３の側部が前記インペラに面する、請求項７記載のターボ機械。
【請求項９】
ターボ機械におけるシュラウド、インペラ及びブラシシール組立体であって、
前記ブラシシールの上流側にあり且つシュラウド表面から前記ターボ機械のインペラに向かって延在する少なくとも１つのベーンを備え、
前記少なくとも１つのベーンが、上流側端部と、下流側端部と、前記上流側端部と前記下流側端部との間に延在する第１の側部と、前記上流側端部と前記下流側端部との間に延在する第２の側部とを含み、前記少なくとも１つのベーンが更に、前記シュラウド表面に交差する上流側端部と前記シュラウド表面に交差する下流側端部とを有するインペラ接面を含み、前記インペラ接面が、前記上流側端部から前記下流側端部まで前記インペラに実質的に適合する、ターボ機械におけるシュラウド、インペラ及びブラシシール組立体。
【請求項１０】
ターボ機械においてシールを改善し且つスワールを低減する方法であって、
前記ターボ機械のインペラとシュラウドとの間にブラシシールを設ける段階と、
前記ブラシシールの上流側の前記インペラと前記シュラウドとの間にキャビティを設ける段階と、
前記インペラに向かって延在する少なくとも１つのベーンを前記キャビティに設ける段階と
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題の実施形態は、全体的に、ターボ機械に関し、より詳細には、ターボ機械のシュラウドとインペラとの間の加圧されたプロセス流体の管理に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数年間、化石燃料の高騰により、化石燃料の処理に関連する種々の態様に対する関心が高まっている。化石燃料の処理の間、その後の使用のために流体が陸上又は洋上の場所から処理プラントに輸送される。他の用途では、流体は、より局所的に、例えば、エンドユーザへの分配を可能にするための炭化水素処理プラントのサブシステム間を輸送される場合がある。
【０００３】
少なくとも一部の流体輸送ステーションは、ガスタービンによって駆動される圧縮機、ファン及び／又はポンプなどのターボ機械を用いる。これらのタービンの一部は、ガスタービン出力駆動シャフト速度を所定の装置駆動シャフト速度に増減させるギアボックスを介して、関連の流体輸送装置を駆動する。他の回転機械では、回転機械を作動させるために、機械的駆動装置（すなわち、ガスタービン）の代わりに又は機械的駆動装置と併せて電動駆動モータ又は電気駆動装置が使用される。特定の環境（すなわち、洋上、陸上、海中、その他）に関係なく及びターボ機械がタービンであるか又はモータ駆動装置であるかに関係なく、効率向上、コスト低減及び化石燃料処理、特にこのような処理に関わる回転機械の環境への影響の軽減に対する必要性が常に存在する。
【０００４】
この常に存在する必要性の結果として、回転機械の性能が引き続き改善されている。現行の回転機械は、高速で、効率が良く、且つ環境に優しいだけでなく、従来よりも高温高圧で腐食性物質を処理することができる。このような改善は歓迎されるものであるが、これらの処理を制御するための既存の解決策は、この改善によってもたらされる過酷な環境での運転の要求を満たすには不十分であることが多い。
【０００５】
特に問題となる分野の１つはシールである。通常、ターボ機械のロータとステータとの間にブラシシールが設けられ、ブラシシールの上流側と下流側との間の圧力差を維持するようにする。ブラシシールは、プロセス流体が過剰な回転速度成分（過剰なプロセス流体スワールと呼ばれることが多い）でシールに当接している場合に、性能の低下を生じやすく、場合によっては損傷を受けやすい。従来、ロータとステータとの間のプロセス流体スワールは、ブラシシールの上流側に位置付けられる、いわゆる、スワール低減器又はスワール抑制器を導入することによって対処されてきた。これらの部品は通常、移動中のプロセス流体のスワールを低減する軸方向通路を有する円周方向部品を含む。ロータ速度が増大すると、プロセス流体スワールの回転速度も増大する。高速度の流体をこのような部品に送り込むことは、ターボ機械の効率及び／又は性能の低下の一因となる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４２７３５１０号明細書
【特許文献２】欧州特許第２１５４３７９Ａ１号明細書
【特許文献３】国際公開第２００４／１１３７７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
必要とされているのは、改善されたシール、プロセス流体スワールの低減、プロセスガスのより均一な速度分布及び改善されたターボ機械性能を提供することができるターボ機械である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
例示的な実施形態では、ターボ機械は、シュラウドを有するターボステータと、シュラウド内にインペラを有するターボロータと、インペラとシュラウドとの間のブラシシールと、ブラシシールの上流側でシュラウドからインペラに向かって延在する少なくとも１つのベーンとを含む。
【０００９】
別の例示的な実施形態では、ターボ機械におけるシュラウド、インペラ及びブラシシール組立体は、ブラシシールの上流側にあり且つシュラウド表面からターボ機械のインペラに向かって延在する少なくとも１つのベーンを備え、少なくとも１つのベーンが、上流側端部と、下流側端部と、上流側端部と下流側端部との間に延在する第１の側部と、上流側端部と下流側端部との間に延在する第２の側部とを含み、少なくとも１つのベーンが更に、シュラウド表面に交差する上流側端部とシュラウド表面に交差する下流側端部とを有するインペラ接面を含み、インペラ接面が、上流側端部から下流側端部までインペラに実質的に適合する。
【００１０】
別の例示的な実施形態では、ターボ機械においてシールを改善し且つスワールを低減する方法は、ターボ機械のインペラとシュラウドとの間にブラシシールを設ける段階と、ブラシシールの上流側のインペラとシュラウドとの間にキャビティを設ける段階と、インペラに向かって延在する少なくとも１つのベーンをキャビティに設ける段階とを含む。
【００１１】
本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、１以上の実施形態を例証しており、本明細書と共にこれらの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】例示的な実施形態を示す図。
【図２】図１に示す例示的な実施形態におけるブラシシールの部分断面図。
【図３】図１の例示的な実施形態の部分斜視断面図。
【図４】図１に示す例示的な実施形態の別の断面図。
【図５】別の例示的な実施形態を示す図。
【図６】図５に示す例示的な実施形態におけるブラシシールの部分断面図。
【図７】図５の例示的な実施形態の部分斜視断面図。
【図８】図１に示す例示的な実施形態の別の断面図。
【図９】図１に示す例示的な実施形態の分析図。
【図１０】図５に示す例示的な実施形態の分析図。
【図１１】例示的な実施形態に係る方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を示す添付図面を参照する。種々の図面における同じ参照符号は、同じ又は同様の要素を示している。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の請求項によって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、ステータ及びロータを有するターボ機械の用語及び構造に関して検討される。しかし、以下で検討される実施形態は、これらの例示的なシステムに限定されるものではなく、他のシステムにも適用することができる。本明細書を通して「一実施形態」又は「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される具体的な特徴、構造又は特性が本開示の主題の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所で表現「一実施形態では」又は「ある実施形態では」が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。更に、具体的な特徴、構造又は特性は、１以上の実施形態ではあらゆる好適な様態で組合せてもよい。
【００１４】
図１〜４は、本発明によるターボ機械１０の例示的な実施形態を示している。ターボ機械１０は、図１に示すように、ＯＲＣ（有機ランキンサイクル）用の高圧膨張モジュールを含む。ターボ機械１０は、シュラウド１８を有するステータ１２と、インペラ２２を有するロータ１６とを含む。
【００１５】
ブラシシール２４（図１において円で囲まれている）及びラビリンスシール２６が、ターボ機械１０のインペラ２２とシュラウド１８との間に設けられる。図２は、ブラシ部分２８とファスナー通路３２とを含むブラシシール２４の部分断面図を示す。ネジファスナーをシール２４の周囲上の各ファスナー通路３２に挿通し、シール２４をシュラウド１８に取り外し可能に固定することができる。
【００１６】
インペラ２２とシュラウド２４との間のプロセス流体スワール速度が、ロータ軸線からの遠位の位置に起因してロータ１６とステータ１８との間のプロセス流体スワール速度よりも大きいので、ターボ機械１０内、具体的には、シュラウド１８とインペラ２２間のブラシシール２４の位置が重要である点に留意されたい。
【００１７】
図３及び４は、ターボ機械１０のシュラウド１８及びインペラ２２の部分図を示す。シュラウド表面３６及びインペラ表面３８は、プロセス流体がブラシシール２４に、次いでラビリンスシール２６に当接する前に移動する一連のキャビティを画成する。図３及び４に示すように、凹型のシュラウド表面３６及びインペラ表面３８によって画成される主キャビティ部分５８が、ブラシシール２４の上流側に設けられる。主キャビティ部分５８内のシュラウド１８上に少なくとも１つのベーン１４が設けられる。ベーン１４は、上流側端部４２、下流側端部４４、上流側端部４２と下流側端部４４との間に延在する第１の側部４６及び上流側端部４２と下流側端部４４との間に延在する第２の側部４８を含む。図３及び４において更に図示されるように、ベーン１４は更に、上流側端部４２及び下流側端部４４にてシュラウド表面３６に交差するインペラ接面５２を含む。例示的な実施形態では、ベーン１４は、ロータ軸線５４（図４）と一致する平面を画成する。また、図３及び４において理解できるように、ベーン１４の上流側端部４２は、インペラ２２の外径５６を超えて半径方向外向きに延在する。
【００１８】
図１〜４の例示的な実施形態では、主キャビティ５８は更に、ロータ軸線５４に垂直な平坦な表面部分６２によって画成される。図２〜４に示すように、シュラウド表面部分６２は、ターボ機械１０にシールが設置されたときにブラシシール２４の本体の上流側側部によって形成される。シュラウド表面３６はまた、平坦な表面部分６２に交差する円筒形の表面部分６４を含む。図１〜４に示すように、ベーン１４は三角形状をなす。三角形の第１の側部は、平坦なシュラウド表面部分６２と交差し、第２の側部は、円筒形の表面部分６４と交差し、三角形状のインペラの第３の側部は、インペラ２２に面する。
【００１９】
製造中、シール部分２４の本体上の表面６２においてベーン１４を設けることができる。ベーン１４を含むシールの設置中、三角ベーン１４の第２の側部は、円筒形の表面６４に係合し固定することができる。この特徴によって、ベーンは、回転機械１０に設置されるブラシシール２４の特性に一致又は厳密に構成できるようになる。図１〜４に更に示すように、主キャビティ５８は、下流側キャビティ６６と上流側キャビティ６８との間に配置される。上流側キャビティは、下流側キャビティ６６よりもロータ軸線５４から離れている。ベーン６６は、下流側キャビティ６６並びに上流側キャビティ６８に延在する点に留意されたい。図３及び４に示すように、上流側キャビティ６８は、シュラウド１８及びインペラ２２上の対向する円筒形の表面によって画成される。ターボ機械１０は更に、シュラウド表面３６からインペラ２２に向かって延在する安定化歯状部７２を含む。安定化歯状部７２は、ブラシシール２４と下流側キャビティ６６との間に配置される。図２から更に理解できるように、歯状部７２は、ブラシシール２４上に設けられる。
【００２０】
図５から８は、本発明によるターボ機械１１０の例示的な実施形態を示す。ターボ機械１１０は、図５に示すように、ＯＲＣ（有機ランキンサイクル）膨張器用の低圧膨張モジュールを含む。
【００２１】
図７及び８に示すように、主キャビティ１５８は、インペラ１２２に面する円錐形のシュラウド表面１７４を含む。円錐形のシュラウド表面１７４は、下流側方向にテーパが付いている。ベーン１１４は、円錐形のシュラウド表面１７４に交差する第１の側部１７６と、インペラ１２２に面する表面を含む第２の側部１７８とを含む。ベーン１１４の第２の側部１７８は、凸面状であり、インペラ１２２の凹面状の表面に適合する。  図１〜４の例示的な実施形態の分析において、１ｍｍの幅を各々が有する６０のベーン１４がロータ軸線５４の周りで主キャビティ５８内に設けられていた。また。図５〜８の例示的な実施形態の分析においては、ロータ軸線５４の周りで主キャビティ５８内に９０のベーン１１４が設けられていた。主キャビティ５８、１５８に流入する高度に旋回した流れがベーン１４、１１４によって偏向され、これにより軸方向及び／又は半径方向の速度流れ成分が増大すると共に、接線方向の流れ成分が減少することを、分析は示している。この分析は更に、再循環領域の導入及び高度に乱れた流れ構造に起因して、一定量の粘性誘起の運動量散逸によりスワールが更に低減されることを示していると考えられる。その上、分析は、プロセスガスの均一な速度分布がブラシシール２４、１２４に提供されることを示している。
【００２２】
具体的には、図９及び１０は、第１及び第２の実施形態１０及び１１０それぞれについてのこの分析結果を示している。図９の上部分は、上流側キャビティ６８からラビリンスシール２６への軸方向座標に対する平均スワール数を示している。図９の下部分は、ベーン１４を含むターボ機械１０のスワールパターン及び子午面速度場を示している。線２０２は、ベーン１４が無い場合のスワール値対軸方向の位置を示し、線２０４は、ベーン１４がある場合のスワール値対軸方向の位置を示している。ブラシシール２４の位置は、垂直線２０６で示される。図９に示すように、ベーン１４無しのブラシシール２４の上流側側部に近接したスワール値は、０．５１４であり、ベーン１４有りの場合、スワール値は０．２２１である。図１０は、ベーン１４無しの場合のスワール値対軸方向の位置についての線３０２と、ベーン１４有りの場合のスワール値対軸方向の位置についての線３０４とを含む、第２の実施形態１１０の同様のグラフを示している。図１０に示すように、ベーン１４無しの場合のブラシシール１２４の上流側側部に近接したスワール値は、０．４７１であり、ベーン１４有りの場合、スワール値は０．１７０である。従って、両方の実施形態は、ブラシシール２４に当接しているプロセス流体に対するスワール値を５０％を超えた低減を可能にする。また、図９及び図１０の下部分から理解できるように、ターボ機械１０及び１００は、シール２４に当接しているプロセスの流れに対して均一な速度分布を提供する。従って、ターボ機械１０、１１０は、従来のターボ機械よりも改善されたシール、プロセス流体スワールの低減、プロセスガスのより均一な速度分布及び改善された性能を提供する。
【００２３】
図１１のフローチャートに示す実施形態では、ターボ機械においてシールを改善し且つスワールを低減する方法（１０００）は、ターボ機械のインペラとシュラウドとの間にブラシシールを設ける段階（１００２）と、ブラシシールの上流側のインペラとシュラウドとの間にキャビティを設ける段階（１００４）と、インペラに向かって延在する少なくとも１つのベーンをキャビティに設ける段階（１００６）とを含むことができる。
【００２４】
上記の例示的な実施形態は、全てに点において本発明の限定ではなくて例示であることを意図している。全てのそのような変形及び修正形態は、特許請求の範囲によって定まる本発明の技術的範囲及び技術思想の範囲内にあると考えられる。本出願の説明で使用する要素、作用又は指示はいずれも、そうではないことを明確に記載していない限り、極めて重要なもの或いは必須なものと解釈してはならない。また、本明細書で使用する場合に、数詞を付していない表現は、１以上の項目を含むことを意図している。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ターボ機械
１２  ステータ
１６  ロータ
１８  シュラウド
２２  インペラ
２４  ブラシシール
２６  ラビリンスシール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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